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Electrónica Digital - 230 -
4. Elementos básicos de memoria. Biestables (Básculas).
Vamos a describir cómo se implementan los bloques de memoria que hemos presentado
en el apartado anterior. Estos bloques pueden estar constituidos en base a diversos
dispositivos básicos de memoria: biestables o básculas (latches o flip-flops)
semiconductores, líneas de retardo, dispositivos magnéticos, conmutadores, etc.,...
Comenzaremos presentando los dispositivos biestables, dado que son los más utilizados
y los que permiten un diseño más sencillo de sistemas secuenciales. Sin embargo, en el
tema IV veremos como diseñar circuitos secuenciales mediante líneas de retardo en la
realimentación.
Los circuitos biestables son circuitos capaces de guardar en memoria durante el tiempo
necesario el valor 0 ó el 1. Este valor se obtiene en la salida del circuito y determina el
estado del biestable denotándolo genéricamente mediante la letra Q. Dicho de otro
modo, los biestables se pueden mantener indefinidamente en uno de sus dos estados
estables –de ahí su nombre-, el 0 o el 1.
La letra Q* sirve para denotar el siguiente estado del circuito. Así pues, un biestable
dispondrá de dos posibles estados, uno que proporcione una salida con valor 0, y otro
con valor 1. Cada biestable dispone de una o varias entradas de excitación que serán las
encargadas de llevar al biestable a un estado o a otro. Normalmente, los biestables
reciben su nombre de sus entradas de excitación y, lógicamente, a la hora de diseñar
debemos conocer perfectamente cómo configurar las entradas de excitación de cada
clase de biestable para llevarle al estado final deseado.
Existen dos clases de biestables, los latches y los flip-flops. Se diferencian en que los
segundos tienen una entrada de control temporal (reloj) que marca el instante en el cual
el dispositivo actualiza su estado en función del valor de sus entradas de excitación en
ese momento. De este modo se puede hacer que varios dispositivos de este tipo
actualicen sus estados a la vez, es decir, trabajen de forma sincronizada. Los latches,
también llamados cerrojos, carecen de dicha entrada de reloj y actualizan su estado
inmediatamente después de detectar un cambio en sus entradas de excitación.
A continuación, vamos a presentar los biestables más comunes y que nos servirán de
base para trabajar con circuitos lógicos secuenciales.
4.1. Biestable Asíncrono: LATCHES.
Veremos a continuación cómo se puede usar la realimentación para crear latches
simples a partir de puertas lógicas básicas.
Electrónica Digital - 231 -
4.1.1. Latch Set.
Partimos de la puerta OR-2 de la Figura 147 (a), donde realimentamos su salida
(inicialmente a cero) con una de sus entradas, quedando su salida estable a 0 –ver Figura
147 (b)-. Si ahora la entrada libre S cambia su estado –a 1-, aunque sea por un breve
espacio de tiempo –Figura 147 (c)-, la salida Q cambia a 1 y permanece así de manera
permanente –Figura 147 (d)-, comportándose ya como un latch set.
Figura 147
4.1.2. Latch Reset.
En el circuito de la Figura 147, reemplazamos la puerta OR por unas NOR y NOT en
serie, creando un circuito set equivalente, representado en la figura Figura 148 (a). Se
observa en Figura 148 (b) que como inicialmente las dos entradas de la NOR eran 0, la
salida de la NOR –que utilizamos como estado Q del latch- está a 1 de forma estable,
gracias a la realimentación de la NOT. Sin embargo, al colocar un 1 en la entrada no
conectada R –Figura 148 (c)-, el estado Q pasa a 0, quedando estable gracias a la
realimentación a 1. Ese estado Q=0 (Reset) queda así a pesar de futuros cambios en R y
le da nombre al latch. Finalmente, se puede dibujar este latch Reset de otra forma más
compacta, como aparece en Figura 148 (e).
Figura 148
Electrónica Digital - 232 -
4.1.3. Latch SetReset NOR.
Evidentemente, los circuitos que se estabilizan definitivamente en un estado final no
son muy útiles, salvo en aplicaciones poco comunes. Es por ello que vamos a combinar
los dos diseños anteriores para poder activar o desactivar el latch resultante a voluntad.
Reemplazamos la NOT de la Figura 148.(a) por una NOR-2 que, si tiene las dos
entradas conectadas juntas funciona de forma equivalente a la NOT –Figura 149 (a)-.
Ahora bien, si dejamos una de sus entradas conectadas a la salida de la puerta anterior y
la otra como entrada –Figura 149(b)-, tendremos un latch cuyo estado varia en función
de la activación de sus dos entradas R y S. Así se crea el latch RS, que puede dibujarse
también como en la Figura 149 (c) y representarse con el símbolo lógico de Figura 149
(d).
Figura 149
4.1.4. Latch SetReset NAND.
Ahora queremos reproducir el mismo funcionamiento descrito para el latch SR en el
apartado anterior, pero utilizando puertas NAND. Para eso se propone el circuito de la
Figura 150 (a), cuyo funcionamiento estudiamos a continuación. Dado que una NAND-
2 con una entrada a 1 funciona como una NOT por la otra entrada y como las tenemos
conectadas en acoplamiento cruzado –ver Figura 150 (b)-, se observa que con R=S=0, lo
único garantizado es que se cumple que las dos salidas del latch son complementarias,
de modo que esa entrada no es útil en la practica. Por otro lado, cuando una de las dos
entradas en activa (a 1), se garantiza que el estado estable final se corresponde con su
acción asociada. Esto quiere decir que si S=1, el estado del latch es 1 (se establece el
latch) y si R=1, el estado es 0 (se resetea el latch).
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Figura 150
Si se eliminan las puertas NOT del circuito –ver Figura 151- las entradas pasan a ser S
y R (activas a baja).
Figura 151
Se usan los símbolos lógicos de la Figura 152 para representar el dispositivo.
Figura 152
4.1.5.Diagramas de tiempos y retardos del Latch SR.
Se puede describir el funcionamiento de cualquier latch mediante un diagrama de
tiempos. En concreto, el latch SR se describe en la Figura 153, donde suponemos que el
estado es inicialmente 0 y puede observarse que se activa cuando llega un pulso a la
entrada S, manteniéndose así hasta que llega un pulso a R, momento en el que el estado
pasa a 0. Finalmente, se observa que cuando ambas entradas se ponen a 1, el estado es
0, pero que si después ambas entradas pasan simultáneamente a 0 lógico, entramos en
una condición de competencia. En esos casos no podemos anticipar cuál será el estado
final del dispositivo. Ello se debe a que es prácticamente imposible que dos eventos –el
paso de las dos entradas a 0 lógico- ocurran simultáneamente. Si R pasa primero a 0, el
estado final será 1, pero si es S la que vuelve antes el estado estable será 0. En el caso
hipotético ideal de que ambas llegasen a 0 en el mismo instante y de que ambas puertas
Electrónica Digital - 234 -
NOR fuesen idénticas, ambas competirán para ganar el control de Q y el estado oscilará.
En la practica, siempre gana una de las puertas (no pueden ser exactamente iguales, ni
pasar a 0 exactamente en el mismo instante), pero no podemos saber de antemano cuál
será. Es por ello que la entrada S=R=1 no se permite en el uso normal del latch.
Figura 153
En la Figura 153 se suponen puertas ideales con un retardo de propagación nulo.
Evidentemente, eso no es así en la práctica y existen retardos que pueden observarse en
la Figura 154.
Figura 154
Ahora vamos a estudiar con más detalle los retardos en el funcionamiento de los latches.
Evidentemente, debemos considerar los retardos de propagación de cada una de las
puertas lógicas, implicadas en cada transición de estado, acumulando las necesarias para
obtener el estado final del dispositivo. En la Figura 155 pueden verse los retardos de
propagación del circuito de la Figura 150 ante diferentes transiciones. Después de que S
pase de 0 a 1, observamos que Q pasa a 0 después del retardo tPHL de la puerta NOR
N1. Después hay que esperar el tPLH de N2 para que la línea de realimentación haga que
Set Reset Set Entradas
ilegales
Valores
deconocidos
Set Reset Set Entradas
ilegales
Valores
deconocidos
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Q pase finalmente a 1. Por lo tanto, en este tipo de latches la salida Q cambia antes que
la Q al establecer el dispositivo.
Figura 155
Algo similar ocurre con el reseteo del latch. Cuando se activa R, hay que esperar la tPHL
de N2 para que Q pase a 0, pero luego la realimentación hace que Q se haga 1, después
del tPLH de N1.
4.1.6. Tabla de excitación y ecuación característica del SR.
La tabla de excitación resume el funcionamiento lógico de un dispositivo con memoria.
Se trata sencillamente de la tabla de estados que marca cuál será su transición futura –
siguiente estado-, teniendo en cuenta el estado presente y el valor de las entradas de
excitación en ese instante. Por ejemplo, la Figura 156, describe el comportamiento del
latch SR que hemos descrito hasta ahora.
Figura 156
Las columnas S y R marcan las entradas que tiene el latch cuando se hace la transición
del estado actual Q al estado siguiente Q*. Asimismo, pasando el contenido de la tabla
de excitación a un mapa K, podemos obtener la expresión lógica para Q*, denominada
ecuación característica del latch SR:
*Q S RQ (1)
Electrónica Digital - 236 -
4.1.7. Latch SR con compuertas.
En muchas ocasiones, conviene utilizar una señal de inhibición para controlar cuándo
insertamos nuevas entradas S y R en el latch. De hecho, es conveniente hacer que
permanezcan inhibidas mientras se están cambiando y una vez estabilizadas en su nuevo
valor, se procede a habilitar su paso al dispositivo. Podemos implementar el llamado
latch SR con compuertas mediante dos puertas AND-2 que no dejan pasar S y R hasta
que C=1 –verFigura 157-.
Figura 157
Alternativamente, podemos usar puertas NAND-2 con un latch SR con entradas activas
a baja –ver Figura 158- .
Figura 158
4.1.8. Latch con retardo: Latch D.
Los sistemas digitales se usan, entre otras importantes aplicaciones, para el
almacenamiento temporal –más o menos largo- de la información. En esos casos, nos
interesa almacenan de manera estable como estado del dispositivo la información que en
cierto instante hemos puesto en su entrada para recogerla posteriormente. Para ello
podemos utilizar los llamados latches Delay o latches D, representados en la Figura 159
(a).
Figura 159
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Se puede hacer un latch D fácilmente a partir de un SR con compuertas, asignando S=D
y R= D , como puede verse en Figura 159 (b). De esa manera, cuando el latch está
activo (C=1), solo puede funcionar en las zonas Set (S=1 y R=0) y Reset (S=0 y R=1) de
la tabla de excitación de la Figura 156. Asimismo, podemos implementar latches D
mediante puertas NOR como puede verse en la figura Figura 159 (c).
Por otro lado, si hacemos S=D y R= D en la ecuación caracteristica del SR con
compuertas, obtenemos la ecuación del latch D:
*Q DC CQ (2)
donde, como puede verse en la expresión (2), el estado siguiente es igual a la entrada
Q*=D cuando el latch está habilitado (C=1) y permanece inalterado Q*=Q –almacena
la información- cuando esta inhabilitado (C=0).
El diagrama de tiempos de la Figura 160 describe el funcionamiento del latch D, tal y
como la hemos descrito arriba.
Figura 160
4.2. Biestable Síncrono: FLIP-FLOP.
Se puede observar que los latches, cuando están habilitados, funcionan como un circuito
combinacional, ya que los cambios en las entradas se trasladan inmediatamente –bueno,
después de la propagación correspondiente- a cambios en el estado de salida. Esto hace
que dichos circuitos no sean adecuados para su funcionamiento síncrono, esto es, para
operar sincronizando las transiciones al ritmo de cierta señal temporal que “organiza”
los cambios para prevenir comportamientos inestables (que pueden ocurrir en todos los
circuitos combinacionales realimentados) o errores en las lecturas de las señales debidas
Activado
Retención
Activado
Retención Activado
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a los tiempos de propagación. Como ya vimos en el esquema de la Figura 146, esta
señal temporal se denomina Reloj y marca en buena medida el rendimiento que puede
alcanzar un sistema y da idea de la calidad del circuito.
4.2.1. Flip-flops Maestro-esclavo SR.
Uno de los métodos para evitar los problemas anteriormente citados consiste en
conectar dos latches en cascada con una configuración maestro-esclavo, como la que
puede observarse en la Figura 161.
Figura 161
Como puede observarse los dos latches son habilitados por versiones complementarias
de la señal de reloj, de modo que cuando el reloj está a baja, el maestro esta habilitado
(compuerta) y el esclavo deshabilitado (retención). Cuando el reloj pasa a 1, ocurre lo
contrario. De este modo, los cambios en las entradas son captadas por el maestro en un
pulso de reloj (cuando pasa de 0 a 1), pero no pasan a la salida del esclavo hasta el
siguiente pulso (de 1 a 0), como puede observarse en el diagrama temporal de la Figura
182.
Maestro Esclavo
Reloj
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Figura 162
Por lo anterior se dice que estos flip-flops maestro-esclavo son disparados por pulsos, ya
que necesitan de un pulso completo de reloj (las dos transiciones). El símbolo lógico de
la Figura 163 (a) indica que la actualización de los estados de salida se realiza con el
flanco ascendente (de 0 a 1) de los pulsos del reloj. El símbolo de la Figura 163 (b), sin
embargo, indica que la actualización de los estados de salida se realiza con el flanco
descendente (de 1 a 0) de los pulsos del reloj
(a)
(b)
Figura 163
Como podemos observar en la Figura 164, la tabla de transiciones del flip-flop SR es
idéntica a la del latch SR, excepto en que el flip-flop debe recibir un pulso completo de
reloj en C para que se produzcan las transiciones.
Figura 164
La salida del flip-flop puede cambiar
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4.2.2. Flip-flops Maestro-esclavo D.
Siguiendo con esta filosofía de diseño, construimos un flip-flop maestro-esclavo D,
como se puede ver en la Figura 165. De nuevo, el maestro “captura” el valor de la
entrada D en el flanco ascendente del pulso de reloj y esta pasa al esclavo en el
siguiente pulso descendente, momento en el que se actualiza la salida Q. El símbolo
lógico aparece en la Figura 166 y el comportamiento temporal descrito puede verse en
la Figura 167, donde se han incluido los tempos de propagación de las puertas.
Figura 165
Figura 166
Figura 167
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Finalmente, puede consultarse la tabla de transiciones en la Figura 168, donde puede
verse que el comportamiento es el del latch D, solo que ahora sincronizado con los
pulsos que entran por C.
Figura 168
4.2.3. Flip-flops Maestro-esclavo JK.
Presentamos un nuevo dispositivo que puede verse como una extensión del flip-flop SR,
ya que el JK tiene el mismo comportamiento que este haciendo J=S y K=R, salvo ante
una entrada S=R=1. En el caso del SR dicha entrada no se permite, sin embargo en el
JK dicha entrada (J=K=1) resulta muy útil, dado que el dispositivo balancea su estado,
esto es, que si Q=0, pasa a 1 (Q*=1) y si Q=1, pasa a 0 (Q*=0). Los cuatro modos de
funcionamiento mencionados se reflejan en la tabla de excitación de la Figura 169.
Figura 169
Asimismo, en la figura Figura 170 (a) se presenta el diagrama lógico de este dispositivo
implementado a partir de un FF-D y en la Figura 170 (b) aparece el símbolo lógico del
FF-JK.
Electrónica Digital - 242 -
Figura 170
4.2.4. Flip-flops disparados por transición.
Hasta este momento, todos los FF presentados, del tipo maestro-esclavo, necesitan de
una transición ascendente seguida de una descendente (un pulso) del reloj para
funcionar adecuadamente. Otra forma de diseñar estos dispositivos hace que las
transiciones de estado tengan lugar durante las transiciones ascendentes o descendentes
de la señal de reloj. Se dice en ese caso que el dispositivo se dispara por transición:
positiva si responde a un cambio 01 del reloj o negativa si es sensible a un cambio
10. Este tipo de dispositivos permite reducir de manera drástica el periodo de tiempo
que las señales de excitación deben permanecer estables en las entradas del FF.
Vemos un ejemplo de la tabla de excitación de un dispositivo disparado por transición
(también se puede decir disparado por flanco) en la Figura 171adjunta, obtenida de la
datasheet del SN7474 de Texas Instruments.
Figura 171
Observamos en ella que el 7474 funciona sincronizadamente con los flancos positivos
() de la señal de clock que recibe.
4.2.5. Flip-flop T disparado por transición.
Un dispositivo muy utilizado en circuitos secuencias, usado para contar pulsos en una
línea es el flip-flop T (trigger o toggle, disparo o alternancia). Este dispositivo solo tiene
una señal de excitación y su funcion consiste en cambiar (alternar) su estado con cada
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transición (flanco) de cierta señal. Esta señal puede ser la propia T de excitación –ver
Figura 172 (a)- o una señal adicional de sincronia o reloj (clock) –ver Figura 172 (b).
(a)
(b)
Figura 172
En este segundo caso, se trata de un FF-T con reloj y, como puede verse, solo funciona
(alterna su estado) si la señal de activación esta activa (a 1). Adicionalmente, se observa
que los pulsos que necesita el FF son negativos, esto es, cambios de la señal de 10.
4.2.6. Entradas asíncronas.
Es habitual que los dispositivos lógicos incorporen, además de las entradas de
excitación y de sincronía, entradas independientes adicionales que actúan sobre el
estado del circuito inmediatamente después de activarse, esto es, de forma asíncrona (no
esperan a la señal de reloj). Un ejemplo de estas puede observarse en las entradas de
PRESET y CLEAR, activas a nivel bajo, que incluye la tabla de excitación del FF-SR
de la Figura 173.
Figura 173
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4.3. Parámetros temporales de Latchs con compuertas
En este apartado vamos a definir los valores temporales máximos y mínimos que deben
cumplir las señales de entrada para garantizar el buen funcionamiento de un latch con
compuertas:
TIEMPO DE SET-UP (ESTABLECIMIENTO) (tS) es el intervalo mínimo que los
niveles lógicos deben permanecer constantes en las entradas antes de que llegue el
flanco de la señal de activación.
TIEMPO DE HOLD (MANTENIMIENTO) (tH) es el intervalo mínimo en que los
niveles lógicos deben mantenerse constantes en las entradas después de que haya pasado
el flanco de la señal de activación.
ANCHURA DEL PULSO DE LA SEÑAL DE ACTIVACION (tW) es el ancho de pulso
mínimo en la entrada activa.
TIEMPOS DE RETARDO DE PROPAGACION (TPLH) es el tiempo de retardo entre un
cambio en la entrada y una transición de baja a alta de la salida correspondiente.
Algunos otros tiempos de retardo de propagacion son:
TPHL: tiempo de retardo entre un cambio en la entrada y una transición de alta a baja de
la salida correspondiente.
TPLH: tiempo de retardo entre la entrada de activación y la transición de baja a alta de la
salida correspondiente.
TPHL: tiempo de retardo entre la entrada de activación y una transición de alta a baja de
la salida correspondiente.
4.4. Parámetros temporales de FFs
En este apartado vamos a definir los valores temporales máximos y mínimos que deben
cumplir las señales de entrada para garantizar el buen funcionamiento de un flip-flop:
TIEMPO DE SET-UP (ESTABLECIMIENTO) (tS) es el intervalo mínimo que los
niveles lógicos deben permanecer constantes en las entradas antes de que llegue el
flanco de disparo del impulso de reloj.
TIEMPO DE HOLD (MANTENIMIENTO) (tH) es el intervalo mínimo en que los
niveles lógicos deben mantenerse constantes en las entradas después de que haya pasado
el flanco de disparo del impulso de reloj.
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FRECUENCIA MAXIMA DE RELOJ (fMAX) es la mayor velocidad a la que se puede
disparar el ff de manera fiable.
ANCHURA DEL PULSO DE RELOJ EN ALTO (tW(H)) es el tiempo de duración del
impulso positivo de la señal de reloj.
ANCHURA DEL PULSO DE RELOJ EN BAJO (tW(L)) es el tiempo de duración del
impulso negativo de la señal de reloj.
ANCHURA DEL PULSO DE PRESET O CLEAR EN BAJO (tW(L)) es el tiempo de
duración de las entradas asíncronas en el nivel activo.
TIEMPO DE RECUPERACIÓN (trec) es el tiempo que transcurre desde que las entradas
asíncronas dejan de ser activas hasta el flanco activo de la señal de reloj.
TIEMPOS DE RETARDO DE PROPAGACION:
TPLH: desde el flanco de disparo del impulso de reloj hasta la transición de nivel bajo a
nivel alto de la salida.
TPHL: desde el flanco de disparo del impulso de reloj hasta la transición de nivel alto a
nivel bajo de la salida.
TPLH, desde la entrada de inicialización (preset) hasta la transición de nivel bajo a nivel
alto de la salida.
TPHL, desde la entrada de borrado (clear) hasta la transición de nivel alto a nivel bajo de
la salida.
Los parámetros temporales descritos se ilustran en las siguientes figuras para el flip-flop
SN7474 de Texas Instruments. Concretamente, el diagrama de tiempos se da en la
Figura 174, los retardos de propagación se presentan en la Figura 175 y las restricciones
temporales se pueden ver en la Figura 176.
Electrónica Digital - 246 -
Figura 174
Figura 175
Figura 176
En la Figura 177 se ilustra el concepto de anchura de pulso y en la Figura 178 los
retardos de propagación de las señales asíncronas comentadas antes.
D no puede cambiar Violación del tiempo
de configuración
Violación del tiempo
de retención
Estado desconocido Ando de pulso de
activación mínimo
Electrónica Digital - 247 -
Figura 177
Figura 178
Electrónica Digital - 248 -
4.5. Resumen de las características de los latches y los flip flops.
Los circuitos latch se utilizan sobretodo para capturar señales de ciertas líneas y
almacenarlas. Por ejemplo, el latch SR simple captura pulsos aleatorios de las líneas de
sus entradas R y S, ya que cada pulso en dichas líneas activa o desactiva el latch. Por su
parte el latch SR con compuertas solo cambia de estado cuando esta habilitado, de modo
que sirven para capturar datos que llegan y se estabilizan antes del final de un pulso de
activación, sirviendo así para filtrar alteraciones transitorias de la señal (ruido) en dicha
línea.
Por su lado, los flip-flops se usan para diseñar circuitos secuenciales donde todos los
cambios deben sincronizarse con cierta señal de reloj. Normalmente, se usan los FF de
tipo JK o D, no usándose casi nunca los SR, ya que pueden sustituirse por el más
polifacético JK que ofrece la opción de balanceo, eliminando además la prohibición de
la entrada S=R=1. Los FF-T por su lado suelen dedicarse al diseño de contadores.
Podemos resumir los diversos dispositivos comentados y su funcionamiento básico
mediante las ecuaciones características que aparecen en la Figura 179, donde solo hay
una entrada para los FF D y JK disparados por pulso y por transición, ya que solo se
diferencian en comportamiento temporal, como se vio en su momento. Usaremos estas
ecuaciones lógicas mas adelante como base de diversos circuitos secuenciales.
Figura 179
Electrónica Digital - 249 -
4.6. Representación de funcionamiento de los biestables.
Para describir el funcionamiento de los circuitos biestables se suele usar, además de la
ecuación lógica característica, los dos elementos descritos a continuación.
Tabla de Excitación, en la que se representan por un lado, todas las combinaciones de
los valores que puedan tomar las variables de excitación para cada estado (Q) y, por otro
lado, el estado al que evolucionará el biestable (Q*) ante cada una de estas
combinaciones. Por ejemplo, en Tabla 38 tenemos la tabla de excitación de un FF-JK.
Esa misma inforamción se puede expresar según la Tabla 39.
0111
1011
1101
1001
0
0
1
0
Q*
110
010
100
000
QKJ
0111
1011
1101
1001
0
0
1
0
Q*
110
010
100
000
QKJ
Tabla 38
0X11
1X01
X110
X000
KJQ*Q
0X11
1X01
X110
X000
KJQ*Q
Tabla 39
Diagrama de Estados, donde los estados del circuito aparecen en círculos junto con la
salida correspondiente y las transiciones de estado se indican mediante flechas. Cada
flecha se rotula con el valor de las entradas que provocan dicha transición. En la Figura
180 se presenta el diagrama de estados del mismo FF-JK.
1 0
(0,1)
(1,1)
(1,0)
(1,1)
(0,0)
(1,0)
(0,0)
(0,1)
(J,K)
1 0
(0,1)
(1,1)
(1,0)
(1,1)
(0,0)
(1,0)
(0,0)
(0,1)
(J,K)
Figura 180